JP4629258B2 - 電磁制御弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁制御弁に関し、特に、冷凍サイクル装置用の電磁比例膨張弁や燃料電池システム用の電磁比例流量弁等として使用される電磁制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比例流量制御用の電磁制御弁として、空気調和装置等の冷凍サクイル装置で使用される電磁比例膨張弁や、燃料電池システムで使用される燃料ガス流量制御用の電磁比例流量弁等があり、この種の電磁制御弁としては、実公平７−１８９３９号公報に示されているようなものが知られている。
【０００３】
比例流量制御用の電磁制御弁は、弁ポート、入出口ポート等を画定する弁ハウジングと、弁ハウジング内に設けられて弁ポートを開閉する弁体と、プランジャ、吸引子、コイル部等を具備し、弁体を開閉駆動する電磁ソレノイド装置と、電磁ソレノイド装置による弁駆動力に対抗する方向に弁体を付勢するばね等による付勢手段とにより構成され、電磁ソレノイド装置による弁駆動力と付勢手段により弁付勢力との平衡関係によって弁体の弁ポートに対する開度位置が決まり、電磁ソレノイド装置のコイル電流に応じて流量を比例制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような電磁制御弁で、比例流量制御をコイル電流制御によって高精度に行うためには、次のようなことが必要である。
（１）弁体が、がた付かず、弁ポートに対して同心度を保って離接方向に移動すること。
（２）弁体移動時の摩擦抵抗が少なく、電磁ソレノイド装置のコイル電流に対する弁位置のヒステリシスが少ないこと。
【０００５】
しかし、従来の電磁制御弁では、（１）に関しては、弁体が弁棒の一端に形成されていて他端側が電磁ソレノイド装置のプランジャ側に延びており、弁棒のガイドを弁座よりも電磁ソレノイド装置のプランジャ側でしか行うことができないので、弁体が弁ポートに対して同心度を保って離接方向に移動することを保証することが難しい。このことは、弁棒の外周面とガイド部の内周面との間隙を詰めることにより、ある程度は改善されるが、その反面、弁体移動時の摩擦抵抗が大きくなり、弁位置のヒステリシスが大きくなることで、比例流量制御を高精度に行うことが難しくなる。
【０００６】
（２）に関しては、弁棒の軸方向におけるガイド部の寸法を短くしたり、弁棒の外周面とガイド部の内周面との間隙を広げることにより、弁体移動時の摩擦抵抗が少なくなるが、しかし、弁体が弁ポートに対して同心度を保って離接方向に移動することの保証度が低下し、やはり、比例流量制御を高精度に行うことが難しくなる。
【０００７】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、弁体が弁ポートに対して同心度を保って離接方向に移動することを保証することと、弁体移動時の摩擦抵抗が少なく、弁位置のヒステリシスが少ないことを両立し、高精度の比例流量制御を行うことができる高性能な電磁制御弁を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による電磁制御弁は、第１の入出口ポート、第２の入出口ポート、弁室、弁ポート、ばね収容室を画定する弁ハウジングと、前記弁室内に設けられて前記弁ポートを開閉する弁体と、プランジャ、吸引子、コイル部を具備し、前記弁体の一方の側にあって前記弁体を開閉駆動する電磁ソレノイド装置と、前記弁体の他方の側にて前記ばね収容室内に収容され前記電磁ソレノイド装置による弁駆動力に対抗する方向に前記弁体を付勢するばね手段とを含む電磁制御弁において、前記第１の入出口ポートが前記弁室と直接連通し、前記第２の入出口ポートが前記弁ポートを介して前記弁室と連通し、前記弁体に気密接続された可撓性のダイヤフラムシール部材によって前記弁室と前記ばね収容室とが気密分離されており、前記吸引子及び前記弁ポートの中心軸線上にある固定ねじ部材の内周面に嵌合して前記ばね収容室内にて該中心軸線方向に可動支持されたボール部材が配置され、前記ダイヤフラムシール部材を貫通して前記ばね収容室内に位置する前記弁体の先端部にはボール受け部材が固定され、前記ボール部材は、前記弁体と反対側において前記ばね手段と自動求心接続するとともに、当該ボール部材は、前記ボール受け部材を介して前記弁体と自動求心接続しているものである。
【０００９】
この構成によれば、弁室とばね収容室とがダイヤフラムシール部材によって気密分離されていることにより、弁ポート部分以外で入出口ポート間における流れ（漏れ流量）が生じることがない。しかも、ボール部材による弁体との自動求心接続により、吸引子及び弁ポートの中心軸線上に弁体が配置されることから、弁体が吸引子及び弁ハウジングに接触することなくスムーズに開閉動作できるようになり、また、弁体の弁ポートに対する同心度が保たれて、弁ポート開度に対する弁ポートにおける流量計量精度が保証される。
【００１１】
この構成によれば、弁体と反対側におけるボール部材によるばね手段との自動求心接続により、ばね手段のばね力の弁体に対する作用方向が弁体の軸線方向とが一致して、ばね手段の配置姿勢に傾きがあっても、ばね手段のばね力が弁体に偏荷重として作用することが回避され、弁体の弁ポートに対する同心度が保たれて、弁ポート開度に対する弁ポートにおける流量計量精度がより一層保証される。
【００１２】
さらに、この発明による電磁制御弁は、前記ばね収容室は均圧通路によって前記第２の入出口ポートと連通しており、前記ダイヤフラムシール部材の有効受圧径が、前記弁体の有効受圧径を規定する前記弁ポートの内径に等しいものである。
【００１３】
この構成によれば、ばね収容室が均圧通路によって第２の入出口ポートと連通していることから、ばね収容室に第２の入出口ポート側の圧力が導入されることになり、その上で、ダイヤフラムシール部材の有効受圧径を、弁体の有効受圧径を規定する弁ポートの内径と等しくしたことから、第１の入出口ポート側の圧力と第２の入出口ポート側の圧力との差圧により、弁体の弁ポート側部分で生じる力と、弁体に気密接続されたダイヤフラムシール部材側で生じる力とが、互いにキャンセルされるので、弁体の開閉の際に第１の入出口ポート側の圧力と第２の入出口ポート側の圧力との差圧の影響を受けることがなく、高精度の流量制御を行えるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明による電磁制御弁の一つの実施の形態を示している。
【００１５】
電磁制御弁は、弁ハウジング１１を有している。弁ハウジング１１には、入口ポート（第１の入出口ポート）１２、出口ポート（第２の入出口ポート）１３、弁室１４、弁ポート１５、上部均圧室１６、ばね収容室（下部均圧室）１７が形成されている。弁ポート１５は弁室１４と上部均圧室１６との間にあり、弁ポート１５の弁室１４側にはワッシャ１８と共にリング状の弁座部材１９が弁ハウジング１１に固定されている。
【００１６】
入口ポート１２は、１次側として、通路２０によって弁室１４と直接連通し、出口ポート１３は、２次側として、通路２１、上部均圧室１６、弁ポート１５を介して弁室１４と連通している。
【００１７】
弁室１４には弁体２３が配置されている。弁体２３は、弁座部材１９との位置関係により弁ポート１５の開度を設定し、図１で見て上方への移動により、弁ポート１５の開度を減少し、下方への移動により、弁ポート１５の開度を増大する。
【００１８】
弁体２３の一方の側（上側）には弁棒２４が一体に設けられている。弁棒２４は、後述する電磁ソレノイド装置５１のプランジャロッドを兼ねていて、弁ハウジング１１に固定された吸引子５２に形成されたガイド孔５３の中心軸線上に配置されており、これにより、吸引子５２のガイド孔５３と弁棒２４とが互いに接触しないように間隙を保っている。この間隙により、プランジャ室５８と出口ポート１３とが均圧化される。
【００１９】
ばね収容室１７は、弁ハウジング１１の端部（下端部）に形成され、弁ハウジング１１にねじ止めされた固定ばねリテーナ２５によって閉じられた構造になっており、弁ハウジング１１に形成された均圧通路３３によって出口ポート１３に連通していると共に、固定ねじ部材２７とボール部材３２との間隙を介して、ダイヤフラムシール部材２８の下面側と連通している。
【００２０】
弁室１４とばね収容室１７との間には、弁体２３の全開位置の規制を行うリング部材２６、固定ねじ部材２７によって外縁側を弁ハウジング１１に気密接続された可撓性のダイヤフラムシール部材２８が設けられている。ダイヤフラムシール部材２８の中心部には弁体２３の先端部２３Ａがダイヤフラムシール部材２８を貫通する形態で気密接続されている。この構造により、弁室１４とばね収容室１７とが完全に気密分離される。
【００２１】
弁室１４側とばね収容室１７側との差圧が作用するダイヤフラムシール部材２８部分の面積は、ダイヤフラムシール部材２８の有効受圧径φＤｆにより決まり、弁室１４側とばね収容室１７側との差圧が作用する弁体２３の弁ポート１５側部分の面積は、弁ポート１５の内径（弁体２３の有効受圧径）φＤにより決まり、これらダイヤフラムシール部材２８の有効受圧径φＤｆと弁ポート１５の内径φＤとは、等しい寸法に設定されている。
【００２２】
ダイヤフラムシール部材２８を貫通してばね収容室１７内に位置する弁体２３の先端部２３Ａにはボール受け部材２９が固定されている。ばね収容室１７には可動ばねリテーナ３０が配置されており、可動ばねリテーナ３０と固定ばねリテーナ２５との間に圧縮コイルばね３１が設けられている。
【００２３】
可動ばねリテーナ３０の上面部は球面受座部３０Ａになっており、球面受座部３０Ａと弁体２３の側のボール受け部材２９との間にボール部材（鋼球）３２が配置されている。ボール部材３２は、吸引子５２及び弁ポート１５の中心軸線上にある固定ねじ部材２７の内周面２７Ａに嵌合して、固定ねじ部材２７により可動支持され、一方において球面受座部３０Ａに球面関節式に当接し、他方においてボール受け部材２９に球面関節式に当接し、弁体２３と可動ばねリテーナ３０との間で、自動求心接続構造をなしている。
【００２４】
弁ハウジング１１の端部（上端部）には電磁ソレノイド装置５１が取り付けられている。電磁ソレノイド装置５１は、弁ハウジング１１にねじ止めされた吸引子５２と、吸引子５２に固定された底板５４と、底板５４に取り付けられた外凾５５と、吸引子５２に固定されたプランジャケース５６と、外凾５５の上端部に嵌合装着された磁気ガイド部材５７とを有しており、プランジャケース５６内にプランジャ室５８を画定している。
【００２５】
電磁ソレノイド装置５１には、プランジャケース５６内に軸線方向に移動可能に嵌挿されたプランジャ５９と、外凾５５内に設けられたコイル部６０とを有しており、プランジャ５９の外周面にはフッ素樹脂等の高潤滑性樹脂を含有したメッキ処理が施されており、プランジャケース５６の内周面との摺動部についての低摩擦抵抗化が図られている。また、プランジャ５９の中心には嵌合孔５９Ａが形成されており、この嵌合孔５９Ａに弁棒２４の上端部が嵌合されて、両者が固定連結されていると共に、プランジャ５９の中心から若干変位した箇所には、プランジャケース５６内のプランジャ５９より上側の空間と下側の空間とを均圧化するための均圧孔５９Ｂが貫設されている。
【００２６】
上述の構成による電磁制御弁は、以下のように動作する。電磁ソレノイド装置５１のコイル部６０に通電されることにより、その電流量に応じた磁気吸引力が生じ、その磁気吸引力によってプランジャ５９が吸引子５２側に吸引される。この吸引力はプランジャロッドを兼ねている弁棒２４によって弁体２３に作用する。
【００２７】
これにより、弁体２３は、電磁ソレノイド装置５１による吸引力と圧縮コイルばね３１のばね力との平衡関係で、上下動位置（弁開位置）が決まり、これに応じて弁ポート１５の開度が決まる。この弁ポート１５の開度によって入口ポート１２より出口ポート１３へ流れる流体の流量が定量的に計量される。
【００２８】
ばね収容室１７は均圧通路３３によって出口ポート１３と連通し、圧力バランスのために、ばね収容室１７には出口ポート１３側の圧力が導入されるが、弁室１４とばね収容室１７とがダイヤフラムシール部材２８によって完全に気密分離されているから、入口ポート１２→弁室１４→ばね収容室１７→均圧通路３３→出口ポート１３と云うような流路は確立せず、弁室１４とばね収容室１７との間に漏れ流量が生じることがない。
【００２９】
弁ポート１５の有効径（弁体２３の有効受圧径）をφＤ、ダイヤフラムシール部材２８の有効受圧径をφＤｆとすると、弁体２３には、入口ポート１２側の１次側圧力Ｐ１と出口ポート１３側の２次側圧力Ｐ２との差圧ΔＰにより、弁ポート１５部において生じる上向きの力（πＤ² ／４）ΔＰと、ダイヤフラムシール部材２８側において生じる下向きの力（πＤｆ² ／４）ΔＰが、φＤ＝φＤｆであることにより互いにキャンセルされ、弁体２３の開閉に差圧ΔＰの影響を受けない制御が可能になる。
【００３０】
プランジャ５９に固定連結され、また、ボール部材３２と自動求心接続された弁体２３は、プランジャケース５６の内周面５６Ａを上側ガイド、固定ねじ部材２７の内周面２７Ａを下側ガイドとして、吸引子５２及び弁ポート１５の中心軸上において移動可能に配置される。これにより、弁体２３は吸引子５２及び弁ハウジング１１に接触することなく開閉駆動可能となって、弁体２３の弁ポート１５に対する同心度が保たれ、また、圧縮コイルばね３１の配置姿勢に傾きがあっても、圧縮コイルばね３１のばね力が弁体２３に偏荷重として作用することが回避され、弁体２３の弁座部材１９に対する同心度が保たれて、開弁時と閉弁時との間にヒステリシスが生じず、弁ポート開度に対する弁ポート１５における流量計量精度が保証される。
【００３１】
これらのことにより、電磁制御弁は、電磁比例流量弁として高精度な比例流量制御を行うようになり、燃料電池システムで使用される燃料ガス流量制御用の電磁比例流量弁で要求されるような高度の流量制御精度を保証することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による電磁制御弁によれば、弁室とばね収容室とがダイヤフラムシール部材によって気密分離されていることにより、弁ポート部分以外で入出口ポート間における流れ（漏れ流量）が生じることがない。しかも、ボール部材による弁体との自動求心接続により、吸引子及び弁ポートの中心軸線上に弁体が配置されることから、弁体が吸引子及び弁ハウジングに接触することなくスムーズに開閉動作できるようになり、また、弁体の弁ポートに対する同心度が保たれて、弁ポート開度に対する弁ポートにおける流量計量精度が保証されるから、空気調和装置等の冷凍サクイル装置で使用される電磁比例膨張弁や、燃料電池システムで使用される燃料ガス流量制御用の電磁比例流量弁で要求されるような高度の流量制御精度を保証することができる。
【００３３】
また、弁体と反対側におけるボール部材によるばね手段との自動求心接続により、ばね手段のばね力の弁体に対する作用方向が弁体の軸線方向とが一致して、ばね手段の配置姿勢に傾きがあっても、ばね手段のばね力が弁体に偏荷重として作用することが回避され、弁体の弁ポートに対する同心度が保たれて、弁ポート開度に対する弁ポートにおける流量計量精度がより一層保証されるから、空気調和装置等の冷凍サクイル装置で使用される電磁比例膨張弁や、燃料電池システムで使用される燃料ガス流量制御用の電磁比例流量弁で要求されるような高度の流量制御精度をより一層保証することができる。
【００３４】
さらに、ばね収容室が均圧通路によって第２の入出口ポートと連通していることから、ばね収容室に第２の入出口ポート側の圧力が導入されることになり、その上で、ダイヤフラムシール部材の有効受圧径を、弁体の有効受圧径を規定する弁ポートの内径と等しくしたことから、第１の入出口ポート側の圧力と第２の入出口ポート側の圧力との差圧により、弁体の弁ポート側部分で生じる力と、弁体に気密接続されたダイヤフラムシール部材側で生じる力とが、互いにキャンセルされるので、弁体の開閉の際に第１の入出口ポート側の圧力と第２の入出口ポート側の圧力との差圧の影響を受けることがなく、高精度の流量制御を行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による電磁制御弁の一つの実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ 弁ハウジング
１２ 入口ポート
１３ 出口ポート
１４ 弁室
１５ 弁ポート
１６ 上部均圧室
１７ ばね収容室
１９ 弁座部材
２３ 弁体
２４ 弁棒
２８ ダイヤフラムシール部材
３１ 圧縮コイルばね
３２ ボール部材
３３ 均圧通路
５１ 電磁ソレノイド装置
５２ 吸引子
５９ プランジャ
６０ コイル部

Claims (2)

1. 第１の入出口ポート、第２の入出口ポート、弁室、弁ポート、ばね収容室を画定する弁ハウジングと、前記弁室内に設けられて前記弁ポートを開閉する弁体と、プランジャ、吸引子、コイル部を具備し、前記弁体の一方の側にあって前記弁体を開閉駆動する電磁ソレノイド装置と、前記弁体の他方の側にて前記ばね収容室内に収容され前記電磁ソレノイド装置による弁駆動力に対抗する方向に前記弁体を付勢するばね手段とを含む電磁制御弁において、
   前記第１の入出口ポートが前記弁室と直接連通し、前記第２の入出口ポートが前記弁ポートを介して前記弁室と連通し、
   前記弁体に気密接続された可撓性のダイヤフラムシール部材によって前記弁室と前記ばね収容室とが気密分離されており、
   前記吸引子及び前記弁ポートの中心軸線上にある固定ねじ部材の内周面に嵌合して前記ばね収容室内にて該中心軸線方向に可動支持されたボール部材が配置され、前記ダイヤフラムシール部材を貫通して前記ばね収容室内に位置する前記弁体の先端部にはボール受け部材が固定され、
   前記ボール部材は、前記弁体と反対側において前記ばね手段と自動求心接続するとともに、当該ボール部材は、前記ボール受け部材を介して前記弁体と自動求心接続していることを特徴とする電磁制御弁。
2. 前記ばね収容室は均圧通路によって前記第２の入出口ポートと連通しており、前記ダイヤフラムシール部材の有効受圧径が、前記弁体の有効受圧径を規定する前記弁ポートの内径に等しいことを特徴とする請求項１に記載の電磁制御弁。

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